基于層次分析法模糊綜合評(píng)價(jià)算法的自動(dòng)化碼頭設(shè)備選型研究

修方強(qiáng) 王延春 張 衛(wèi) 李傳浩 許丹霞

青島新前灣集裝箱碼頭有限責(zé)任公司 青島 266000

0 引言

伴隨世界港口物流的快速發(fā)展，超大型集裝箱船逐漸成為遠(yuǎn)洋干線的主要船型[1]。世界各國(guó)的集裝箱碼頭均面臨著提升裝卸效率的壓力。岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）是集裝箱碼頭的關(guān)鍵裝卸設(shè)備之一，其發(fā)展趨勢(shì)和速度與集裝箱運(yùn)輸成同步態(tài)勢(shì)。第一代岸橋誕生于20世紀(jì)70年代，到如今已有多代岸橋設(shè)備面世[2]。

早期岸橋設(shè)備一般采用單小車方案，但近些年隨著集裝箱運(yùn)輸船舶的大型化，僅通過提高起升和運(yùn)行機(jī)構(gòu)速度來提高港口集裝箱裝卸作業(yè)效率已逐漸不能滿足迅速增長(zhǎng)的集裝箱裝卸需要以及船運(yùn)公司的要求[3]。在此情況下，以雙小車和智能交流變頻驅(qū)動(dòng)裝置為技術(shù)特點(diǎn)的新一代岸橋設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。相較于僅有1輛起重小車的傳統(tǒng)岸橋，配備有2輛自行式起重小車[4]是雙小車岸橋最大的特點(diǎn)。岸邊裝卸設(shè)備采用與水平運(yùn)輸設(shè)備便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交互的雙小車岸橋，并增加門架小車可將集裝箱暫時(shí)存放在中轉(zhuǎn)平臺(tái)上。這種設(shè)計(jì)形式使起重小車的運(yùn)行路徑大大縮短，也在一定程度上改善了運(yùn)行時(shí)的晃動(dòng)。同時(shí)，先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)顯著降低了司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，更適合全自動(dòng)化碼頭的作業(yè)模式[5-7]。

岸橋的選型涉及到多種要素，且需要結(jié)合港口的具體情況進(jìn)行定性與定量分析。其中，岸橋的作業(yè)性能、技術(shù)參數(shù)、設(shè)備配置、多樣化功能等要求，可通過定性分析、定量計(jì)算與歷史經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行確定，但對(duì)岸橋的性能可靠程度、最大裝卸效率與提升空間、設(shè)備耐久度、未來升級(jí)的兼容性、設(shè)備經(jīng)濟(jì)性以及操作與駕駛的舒適程度等要素僅通過上述方法是無法給出明確回答的。因此，需要通過提出一種能夠分析多屬性不確定性問題的方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備選型的決策。層次分析法（Analytic Hierarchy Prccess，AHP）作為一種定量與定性相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法，具有靈活、簡(jiǎn)便實(shí)用和系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)[8-11]，能較好地確定各評(píng)價(jià)因素權(quán)重。另外，再加上模糊綜合評(píng)價(jià)法得出的定量結(jié)果，可為科學(xué)決策提供可靠的依據(jù)[12-14]，故本文采用基于AHP的模糊綜合評(píng)價(jià)法。使用該方法得出的結(jié)果充分體現(xiàn)了層次分析法的優(yōu)勢(shì)，可減少主觀性和不確定性對(duì)結(jié)果判斷帶來的不利影響，綜合了定性分析與定量計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，能更好地分析多屬性不確定要素下集裝箱碼頭前沿岸橋的選型問題。

1 岸橋評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)岸橋選型的評(píng)價(jià)是一項(xiàng)需要參考結(jié)合眾多要素的復(fù)雜系統(tǒng)工程，對(duì)其進(jìn)行全面、綜合、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)需要構(gòu)建一套多要素、寬領(lǐng)域的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，故科學(xué)客觀地評(píng)價(jià)岸橋的能力需要合理選擇能夠深入反映岸橋綜合性能的指標(biāo)。首先要確定岸橋選型的關(guān)鍵要素，在這個(gè)基礎(chǔ)上，把其他指標(biāo)明確化、具體化、數(shù)字化，從而建立起合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，是評(píng)價(jià)岸橋選型的關(guān)鍵。

根據(jù)目前自動(dòng)化碼頭發(fā)展現(xiàn)狀，征求專業(yè)人士意見，岸橋不同于軌道式集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱軌道吊）、輪胎式集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱輪胎吊）及AGV（IGV），其集裝箱的裝卸與周轉(zhuǎn)效率將直接影響到碼頭的運(yùn)營(yíng)效率與服務(wù)能力，進(jìn)而影響碼頭的效益和口碑。結(jié)合該實(shí)際情況，給出岸橋設(shè)備評(píng)價(jià)指標(biāo)3項(xiàng)：技術(shù)性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及環(huán)境性指標(biāo)，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。

表1 岸橋評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型建立

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)法，這種方法能夠針對(duì)一個(gè)受到多種因素影響的研究對(duì)象給出總體評(píng)價(jià)，其方法是把待考察的模糊對(duì)象和相應(yīng)的模糊概念分成一系列的模糊集合，并建立恰當(dāng)?shù)碾`屬函數(shù)，通過對(duì)模糊集合的特定變換和運(yùn)算，得到對(duì)模糊對(duì)象的定量分析結(jié)果[15]。立足于自動(dòng)化碼頭岸橋選型背景，使用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)單小車及雙小車岸橋2種設(shè)備進(jìn)行先進(jìn)性評(píng)價(jià)，結(jié)合其他因素，最終確定設(shè)備選型。這就要求在岸橋選型的各個(gè)核心要素下分別設(shè)置相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，這些指標(biāo)既有定量指標(biāo)，又有定性指標(biāo)。再通過分析各個(gè)要素之間的優(yōu)先級(jí)和相互關(guān)系，建立全面、合理的評(píng)價(jià)體系，從而獲得岸橋選型分析與評(píng)價(jià)的最優(yōu)化方案。

2.1 建立因素級(jí)及評(píng)價(jià)級(jí)

進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)因素集合U=(U1，U2，…，Un)，當(dāng)采用層次分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)使用較少的因素對(duì)研究的問題進(jìn)行概括，還可以進(jìn)一步分解為子集Ui=(Ui1，Ui2，…，Uin)。評(píng)判結(jié)果的評(píng)語集合V=(V1，V2，…，Vm)。

2.2 確定權(quán)重集

判斷矩陣的估計(jì)對(duì)決策質(zhì)量而言至關(guān)重要，故需慎重考慮參與的人員結(jié)構(gòu)以及專家數(shù)目。另外，通過訪談和填寫調(diào)查問卷的方式，便可獲得相關(guān)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)而建立對(duì)應(yīng)的判斷矩陣，再對(duì)相關(guān)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行兩兩比較。為反應(yīng)各因素對(duì)目標(biāo)層的重要程度，對(duì)各因素賦予權(quán)數(shù)Wi，組成權(quán)重集合W=(W1，W2，…，Wn)，且，權(quán)重分配的方法種類較多，目前主要有層次分析法、Delphin法、加權(quán)平均法及專家評(píng)估法[16]。其中層次分析法主要通過兩兩比較得出權(quán)重，適用于本課題研究的比較復(fù)雜的模糊綜合系統(tǒng)，層次分析法比較原理如表2所示。

表2 層次分析法優(yōu)越比較表

通過該比例標(biāo)度法構(gòu)建判斷矩陣A(k)=(aij)k，k= (1，2，…，s)再取(aij)k的幾何平均，最后得到成對(duì)比較矩陣，在構(gòu)建判斷矩陣時(shí)，還需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)(CR≤0.1)，在不滿足一致性時(shí)，需要重新進(jìn)行判斷矩陣的標(biāo)度。

2.3 模糊評(píng)價(jià)賦值

對(duì)因素集U中的單個(gè)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)因素集中的各元素隸屬的程度，求出不同評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于第i因素的隸屬度作為Ri，由此組成隸屬矩陣R={R1，R2，R3，…，Rm}，矩陣R的子集Ri={ri1，ri2，…，Rin}，rij=(i=1，2，…，m，j=1，2，…，n)表示對(duì)第i個(gè)因素做出第j中評(píng)價(jià)的可能程度。

2.4 計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值

當(dāng)權(quán)重向量集及評(píng)價(jià)矩陣R已知時(shí)，可利用模糊矩陣合成運(yùn)算，得到模糊綜合評(píng)價(jià)模型B=W·R=(B1，B2，…，Bm)，根據(jù)隸屬度最大原則，對(duì)B進(jìn)行歸一化處理，取B子集中最大值作為最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。

3 運(yùn)用模糊評(píng)價(jià)模型對(duì)岸橋設(shè)備進(jìn)行選型

3.1 確定權(quán)重

根據(jù)表2所示的優(yōu)越比較表得到關(guān)于經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)U1、技術(shù)性指標(biāo)U2及環(huán)境性指標(biāo)U3的判斷矩陣，表3為判斷矩陣A-Ui。

表3 判斷矩陣( A-Ui )及權(quán)重向量

依據(jù)該判斷矩陣，可得出矩陣Ui的最大特征根

根據(jù)Saaty定義的不相容度準(zhǔn)則，當(dāng)CI≤0.1時(shí)，可認(rèn)為矩陣相容度較好，驗(yàn)證可得，表3所設(shè)置的矩陣相容度較好。用最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量視作權(quán)重向量，由于一個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的不唯一，可對(duì)特征向量作歸一化處理，得W=[0.527 8 0.332 5 0.139 7]。

岸橋的裝卸效率對(duì)碼頭的運(yùn)營(yíng)有重大影響，岸橋結(jié)構(gòu)中與船舶集裝箱交互的小車吊具一般采用雙箱吊具，雙箱吊具配置的剪式上架可使吊具模式在單吊具和雙吊具之間自由切換，從而提高主小車與船舶交互的效率，故岸橋綜合評(píng)價(jià)技術(shù)性指標(biāo)中的效率尤為重要。表4給出雙小車岸橋裝卸集裝箱的理論最高效率。

表4 雙小車岸橋裝卸集裝箱理論最高效率

根據(jù)表4統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，計(jì)算得雙小車岸橋最高效率52.04 箱/h，換算為標(biāo)準(zhǔn)箱為79.10 TEU/h。表5給出單小車岸橋裝卸集裝箱的理論最高效率。

根據(jù)表5的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算單小車岸橋裝卸集裝箱最高理論效率41.50箱/h，折算成標(biāo)準(zhǔn)箱效率為63.08 TEU/h。

表5 單小車岸橋裝卸集裝箱理論最高效率

根據(jù)表4及表5岸橋集裝箱理論最高效率的計(jì)算及對(duì)比可以看出，雙小車岸橋在理論上有著較高的效率，同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用過程中，岸橋吊具自船舶上取箱并轉(zhuǎn)移至堆場(chǎng)的過程中，無論是與AGV（IGV）或集卡進(jìn)行交互，從接近50 m高空下降對(duì)箱，即使目前電子防搖以及機(jī)械八繩防搖都比較成熟的條件下，如果遇到較強(qiáng)大風(fēng)，仍會(huì)影響對(duì)箱效率，進(jìn)而影響岸橋的作業(yè)效率甚至整個(gè)碼頭的運(yùn)營(yíng)。

同理，根據(jù)AHP確定二級(jí)指標(biāo)（Uij）相對(duì)一級(jí)指標(biāo)（Ui）的判斷矩陣（Ui-Uij）以及權(quán)重向量，如表6所示。

表6 岸橋優(yōu)越性評(píng)價(jià)相對(duì)權(quán)重

3.2 單因素評(píng)價(jià)

3.2.1 技術(shù)性指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)U1={U11，U12，…，U14},分別對(duì)應(yīng)表1中各項(xiàng)技術(shù)性指標(biāo)，使用專家評(píng)價(jià)法對(duì)技術(shù)性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)原則V={V1，V2，…，V4}，有4種可能的模糊評(píng)判結(jié)果，分別為很好（0.9～1.0）、一般（0.7～0.8）、高（0.5～0.7）和很高（0～0.5）。確定雙小車岸橋的技術(shù)指標(biāo)R1及單小車岸橋的技術(shù)性指標(biāo)R'1，運(yùn)用公式B=W·R，分別得到單小車岸橋及雙小車岸橋的技術(shù)隸屬度矩陣。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)、環(huán)境

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)U2={U21，U22，…，U26}，分別對(duì)應(yīng)表1中各經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，使用專家評(píng)價(jià)法對(duì)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)原則V={V1，V2，…，V4}，有3種可能的模糊評(píng)判結(jié)果，分別為很高（0.9～1.0）、好（0.7～0.8）、一般（0.5～0.7）和差（0～0.5）。確定雙小車岸橋的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)R2及單小車岸橋的技術(shù)性指標(biāo)R'2，運(yùn)用公式B=W·R得到單小車岸橋及雙小車岸橋的經(jīng)濟(jì)隸屬度矩陣。同理環(huán)境指標(biāo)有4種可能模糊評(píng)判結(jié)果，分別為輕微（0.9～1.0）、一般（0.7～0.8）、嚴(yán)重（0.5～0.7）和很嚴(yán)重（0～0.5），從而可以進(jìn)一步得到2種不同設(shè)備的環(huán)境隸屬度矩陣。

3.3 確定判斷矩陣R

根據(jù)相關(guān)專業(yè)人員對(duì)單小車岸橋及雙小車岸橋的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)情況，得出單因素評(píng)價(jià)矩陣并作歸一化處理。

3.3.1 雙小車岸橋

矩陣R1、R2及矩陣R3分別為雙小車岸橋技術(shù)性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及環(huán)境性指標(biāo)單因素評(píng)價(jià)矩陣，其為

3.3.2 單小車岸橋

矩陣R1'、R2'及矩陣R3'分別為單小車岸橋技術(shù)性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及環(huán)境性指標(biāo)單因素評(píng)價(jià)矩陣，其為

3.4 確定隸屬度矩陣

根據(jù)公式B=Wij·R，分別得到雙小車岸橋與單小車岸橋的隸屬度矩陣（見圖1、圖2）。

圖1 雙小車岸橋隸屬度矩陣

圖2 單小車岸橋隸屬度矩陣

為更直觀地表示2種設(shè)備的優(yōu)越性程度，對(duì)進(jìn)行歸一化處理得到B'，再將隸屬度矩陣轉(zhuǎn)變?yōu)榉謹(jǐn)?shù)矩陣，可得雙小車岸橋分?jǐn)?shù)矩陣為

3.5 綜合結(jié)果評(píng)價(jià)

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)值表示對(duì)岸橋選型的最終評(píng)分。得分越高，則代表對(duì)岸橋各項(xiàng)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)越好，企業(yè)岸橋的綜合作業(yè)能力越強(qiáng)，各項(xiàng)綜合指標(biāo)越高。反之，分值越低，企業(yè)岸橋的綜合評(píng)價(jià)越低，綜合作業(yè)能力越弱，各項(xiàng)綜合指標(biāo)越低。根據(jù)公式Z=Wi·B，可得最終評(píng)價(jià)結(jié)果，其中雙小車岸橋綜合評(píng)價(jià)值為

單小車岸橋綜合評(píng)價(jià)值為

由此可以說明，從現(xiàn)代自動(dòng)化碼頭岸橋選型的角度出發(fā)，雙小車岸橋相對(duì)于單小車岸橋有著更好的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

大型自動(dòng)化碼頭岸橋設(shè)備將對(duì)整個(gè)碼頭的作業(yè)效率具有重要影響。本文針對(duì)集裝箱港口岸橋建設(shè)中所遇到的設(shè)備選型問題，運(yùn)用基于AHP模糊綜合評(píng)價(jià)法的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)。該方法利用了判斷矩陣的模糊性，簡(jiǎn)化了判斷指標(biāo)的相對(duì)重要度，量化了指標(biāo)，有效地克服了人為主觀假設(shè)帶來的弊端。以目前自動(dòng)化集裝箱碼頭主要使用的單小車岸橋與雙小車岸橋?yàn)檠芯繉?duì)象，提出岸橋優(yōu)越性評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算單小車岸橋及雙小車岸橋的裝卸效率，得出自動(dòng)化集裝箱碼頭在使用岸橋+AGV(IGV)+軌道式起重機(jī)的模式時(shí)，雙小車岸橋更具有優(yōu)越性。